专利名称：基于钻孔地质雷达技术的三维精细化成像系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种三维精细化成像系统和方法，尤其涉及一种隧道施工中，基于钻孔地质雷达技术的三维精细化成像系统和方法。
背景技术：
进入21世纪后，一大批铁路公路交通工程、水利水电工程等重大基础工程陆续提上建设日程，极大的促进了隧道工程的建设。截止2010年底，我国交通、水电等领域每年建设隧道约450公里，已建成铁路与公路隧道超过10000公里。预计2020年仅我国铁路隧道建设将达到“两个一万”(lOOOOkm/lOOOO座)。我国已是世界上隧道建设规模与难度最大的国家，由于隧道在施工前期难以全部查清沿线不良地质情况，突发灾害成因极为复杂，导致施工过程中往往遭遇突水突泥、塌方等重大地质灾害，严重影响了隧道工程建设安全。因此，在隧道施工期间对掌子面前方的地质情况进行超期地质预报具有十分重要的意义。现有的超前地质预报方法主要包括地震反射法(如TSP法、TRT法等)、电磁类方法(如瞬变电磁法、地质雷达法等)、电法类方法(如直流电阻率法等)。由于受到隧道观测空间狭小、环境干扰强烈、自身分辨率与识别精度低等因素的影响，现有超前地质预报方法对较大规模的不良地质体有较好的探测效果，如大型断层、大型溶洞、大型暗河等，但对较小的地质体定位和识别效果很差，如裂隙、中小溶洞等，无法满足工程需求。因此，亟待开展三维精细化超前预报方法的研究和发明。目前，超前地质钻探被视为一种精细化超前预报方法，在工程中应用较多。但是超前地质钻孔受到施工进度和经济性的影响，仅能在隧道掌子面布置少量钻孔(1-3个)，智能探明钻孔局部区域的地质情况。对于不在钻孔区域的不良地质体无法揭露，无法实现精细化探测，极易遗漏地质灾害隐患，可见超前地质钻探具有“一孔之见”的明显缺陷。针对该问题，本发明利用孔中地质雷达扩展地质钻孔探测范围的解决思路。利用已有的地质钻孔和掌子面，布置地质雷达孔中发射天线和孔外辐射状接收测线，实现钻孔周围地质情况的三维成像，解决了超前地质钻孔“一孔之见”的问题，有效提高了地质钻孔的利用率。但是，已有的单孔地质雷达不能满足隧道施工期超前地质预报精细化探测的需求。已有的单孔地质雷达发射天线和接收天线同在一个钻孔中并固定间距沿钻孔上下移动，以固定间距触发，仅能实现二维探测，可以得到反射体的与钻孔之间的距离，反射体在钻孔深度方向上的相对位置，但是无法确定反射体的方位，不能满足工程需要。为解决以上问题，有人提出了不同的解决方案。例如专利《岩溶隧道施工用综合性地质预测预报方法》，申请号201110143482. 2，该方法首先采用传统的地质雷达方法在隧道掌子面探测，然后通过打多个互相平行的水平钻孔进行复核；专利《一种煤田火区上部地层孔隙度分布的探测方法》，申请号201110335168. 4，该方法首先在煤田火区上部的地表面布置多条测线，在各测线间隔设置多个测点，逐一对每条测线上的测点施工钻孔，然后逐一在同一测线上相邻的两个钻孔中分别设置发射天线和接收天线，并依次对每条测线上的所有钻孔进行钻孔雷达多偏移距跨孔透射探测。以上两种方法对异常体的探测都是通过打多个平行钻孔，而在实际施工中，打钻孔会大大增加施工成本，浪费大量时间耽误施工工期，因此要运用到实际施工中并不实际。针对上述问题，本发明设计一种隧道单孔地质雷达三维精细化成像超前预报系统与方法，提出了“单钻孔发射天线加掌子面360°辐射状测线”的立体三维观测方法，实现了多次覆盖的扫描性探测，再利用基于约束反演的速度成像方法和三维插值方法，实现钻孔周围介质的三维探测。该发明需要解决的关键问题如下①单孔地质雷达无法确定目标体的方位,本发明需要设计一种360°立体三维观测方法；②360°立体三维观测方法要求孔中的发射天线和掌子面上的接收天线按一定的规则进行移动和扫描性探测，需要研制一种地质雷达天线自动递送和传动装置；③目前尚没有用于上述观测方式的三维地质雷达数据的反演成像方法，需要提出一种高精度的三维成像及反演方法。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种基于钻孔地质雷达技术的三维精细化成像系统和方法，它具有提高了深部分辨率，同时提高了地质异常体三维定位的精度的优点。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种基于钻孔地质雷达技术的三维精细化成像系统，它包括雷达发射天线、雷达接收天线、雷达主机、雷达天线递送装置与雷达天线传动装置、控制主机、蓄电池以及计算机；雷达发射天线通过雷达天线递送装置被递送入钻孔内，雷达接收天线通过天线传动装置在隧道掌子面沿测线移动，雷达发射天线和雷达接收天线通过电缆与雷达主机连接，雷达主机通过电源线与蓄电池连接，雷达主机通过通信电缆与计算机连接，雷达天线递送装置和雷达天线传动装置通过通信电缆与控制主机连接，在隧道掌子面上设有若干条测线，控制主机通过电源线与蓄电池连接，所述控制主机控制雷达天线递送装置和雷达天线传动装置，从而控制雷达发射天线在钻孔内的递送与雷达接收天线在隧道掌子面沿测线的移动，以钻孔为中心向外辐射的每一个方向均为一条测线。所述雷达发射天线安置在隧道掌子面中间位置的钻孔内，雷达发射天线为杆状发射天线，以等间距的形式发射雷达波信号。所述在隧道掌子面上设有六条测线，相邻两条测线之间的夹角为60°。所述传动装置包括传动轨道和传动车，传动车沿传动轨道运动，传动轨道用于传动车的导向作用，传动车用于固定雷达接收天线，便于接收天线沿轨道移动，所述传动轨道测线方向布设在隧道掌子面上。所述雷达天线传动装置包括传动轨道和传动车，传动车沿传动轨道运动，传动轨道用于传动车的导向作用，传动车用于固定雷达接收天线，便于雷达接收天线沿传动轨道移动。所述传动轨道为齿轮状轨道。首先在隧道掌子面中间位置打入一个钻孔，利用单钻孔，钻孔里面放置雷达发射天线，在隧道掌子面上按照辐射状布置地质雷达接收测线，钻孔中的雷达发射天线在钻孔某一深度向隧道掌子面发射雷达波信号，隧道掌子面上的接收天线借助自动传动装置沿辐射状测线移动，依次扫描并采集雷达信号，完成一次发射采集循环。一次发射采集循环结束后，钻孔中的雷达发射天线借助雷达天线递送装置按等间距的形式向钻孔深部移动，再执行下一次发射采集循环。最后当雷达数据全部采集完毕后，对探测数据实施约束反演并实施三维插值成像，实现对隧道掌子面前方地质情况的三维精细化探测。本发明结合“钻孔中单孔发射天线加隧道掌子面360°辐射状接收测线”的立体三维观测方法与基于多次覆盖观测的发射接收循环探测方式，对隧道掌子面前方的地质条件进行高精度全空间的三维探测。该方法还提出了一种全新的地质雷达速度约束反演成像方法，其基本原理是利用粗糙度约束反演得到每个探测剖面的速度图像，探测剖面之间利用插值法，最终形成三维成像，得到隧道掌子面前方的三维地质图像。所述地质雷达速度剖面约束反演成像方法，是一种施加了粗糙度约束的速度层析反演成像方法，这种约束使得相邻网格之间的雷达波慢度的差异极小，使得相邻网格之间的慢度参数光滑过渡，有效的改善波速层析反演方程的病态程度，降低波速反演的多解性，改善反演效果。一种隧道施工中，基于钻孔地质雷达技术的高分辨率三维成像超前地质预报方法，具体步骤为:步骤一:预打钻孔；在隧道掌子面上中间位置垂直打入一个深度为S，孔径为d的钻孔，s>0, d>0 ；步骤二:制定探测方案；根据隧道施工的要求与现场的实际情况，初步制定雷达预测方案，确定雷达发射天线在钻孔内每次发射雷达波信号之间的距离，以及接收天线在隧道掌子面上自动传动的速度；步骤三:钻孔内雷达发射天线的布设；步骤四:按照测线方向布设传动轨道；步骤五:将三维精细化成像系统中用到的各个设备连接起来；步骤六:利用各个设备之间的配合，依次对各个测试点进行雷达数据采集；步骤七:对采集的数据预处理；步骤八:对雷达探测剖面雷达波速层析反演成像计算；步骤九:对三维雷达波速图像处理；通过反演成像计算可得到测线剖面的雷达波速分布图，而测线剖面之间介质的雷达波速通过相邻测线剖面之间的雷达波速的线性插值得到，从而获得隧道掌子面前方雷达波速的三维分布图像，通过对该图像的分析和解释，便可直观、精确地确定隧道前方的地质异常体。所述步骤三的具体步骤为:(3-1)首先把每节长度为X的雷达发射天线递送套管一节一节地，通过递送套管两端的卡槽拼接向钻孔深部插入，直到插入钻孔的最深处；(3-2)把雷达发射天线安装到递送车上，递送车的轮子插入递送套管的轮子卡槽中，方便递送车在套管中较平稳地向深部移动；(3-3)根据步骤二确定的发射天线发射信号的间距，在递送车尾部不断拼接长度为y的递送杆，知从钻孔外的递送动力装置到钻孔内的第一个雷达发射点的递送距离为m=n*y,其中η为递送杆的个数，y>0。所述步骤四的具体步骤为:(4-1)把雷达接收天线通过传动车上的卡槽和弹簧板固定到传动车上；
(4-2)在隧道掌子面上，按照测线方向布设固定传动轨道；(4-3)把传动车安装到传动轨道中，雷达接收天线利用传动车及传动轨道沿测线移动。所述步骤六的具体步骤为:(6-1)打开雷达主机电源以及计算机；(6-2)打开控制主机，根据步骤二确定的雷达发射天线递送间隔和雷达接收天线传动速度，由控制主机向发射天线递送装置发送指令，使其移动到钻孔某一深度，在该位置固定停止，并发射雷达波，同时由控制主机向雷达接收天线传动装置发送指令，使得雷达接收天线沿着传动轨道以预设的速度移动，在移动过程中接收雷达波；(6-3)沿一条测线测试完毕，将雷达接收天线由人工转动到另一条测线进行测量，将所有测线测量完毕后，即完成了一个探测循环；(6-4)重复步骤三到步骤六，循环采集数据，由控制主机控制雷达发射天线沿钻孔内的递送套管以一定的间距移动到下一个位置，执行下一个探测循环，直至探测完毕。所述步骤七的具体步骤为:(7-1)对原始雷达数据依次进行数据合并、废道剔除、测线方向一致化、漂移处理；(7-2)对雷达接收天线接收的雷达数据依次进行滤波处理、去除随机噪声的干扰。所述步骤八的具体步骤为:对预处理后的雷达数据进行反演计算，把每个测线剖面的雷达图像建立网格，对于第η条射线上的第j个网格，每次反演迭代的慢度修正量Cnj可由下式计算得到:
权利要求
1.一种基于钻孔地质雷达技术的三维精细化成像系统，其特征是，它包括雷达发射天线、雷达接收天线、雷达主机、天线递送与传动装置、控制主机、蓄电池以及计算机；雷达发射天线通过天线递送装置被递送入钻孔内，雷达接收天线通过天线传动装置在隧道掌子面沿测线移动，雷达发射天线和雷达接收天线通过电缆与雷达主机连接，雷达主机通过电源线与蓄电池连接，雷达主机通过通信电缆与计算机连接，天线递送装置和天线传动装置通过通信电缆与控制主机连接，控制主机通过电源线与蓄电池连接，并保证设备的连接过程中处于断电状态，在隧道掌子面上设有若干条测线，所述控制主机控制天线递送和传动装置，从而控制雷达发射天线在钻孔内的递送与雷达接收天线在掌子面沿测线的移动，以钻孔为中心向外辐射的每一个方向均为一条测线。
2.如权利要求1所述的基于钻孔地质雷达技术的三维精细化成像系统，其特征是，所述雷达发射天线通过递送装置被送入隧道掌子面中间位置的钻孔内，雷达发射天线为杆状发射天线，以等间距的形式发射雷达波信号；所述递送装置包括递送套管、递送车、递送杆和递送动力装置，递送车的轮子插入递送套管的轮子卡槽中，递送套管与递送车配套使用，用于递送车的导向作用，递送车用于固定发射天线，便于向钻孔深部递送雷达发射天线，递送杆与递送车配套使用，用于天线的递送与取出，而递送动力装置的作用则是提供动力传送递送杆，实现雷达发射天线在钻孔内的自动递送。
3.如权利要求1所述的基于钻孔地质雷达技术的三维精细化成像系统，其特征是，所述传动装置包括传动轨道和传动车，传动车沿传动轨道运动，传动轨道用于传动车的导向作用，传动车用于固定雷达接收天线，便于接收天线沿轨道移动，所述传动轨道按照测线布设在隧道掌子面上，所述在掌子面上设有六条测线，相邻两条测线夹角为60度。
4.基于权利要求1所述的三维精细化成像系统的一种三维精细化成像方法，其特征是，首先在隧道掌子面中间位置打入一个钻孔，利用单钻孔，钻孔里面放置雷达发射天线，在掌子面上按照辐射状布置地质雷达接收测线，钻孔中的发射天线借助天线递送装置递送到钻孔某一深度并向掌子面发射雷达波信号，掌子面上的接收天线借助自动传动装置沿辐射状测线移动，依次扫描并采集雷达信号，完成一次发射采集循环，一次发射采集循环结束后，孔中的发射天线借助发射天线递送装置按等间距的形式向钻孔深部移动，再执行下一次发射采集循环，最后当雷 达数据全部采集完毕后，对探测数据实施约束反演并实施三维插值成像，实现对隧道掌子面前方地质情况的三维精细化探测。
5.基于权利要求1所述的三维精细化成像系统的一种三维精细化成像方法，其特征是，具体步骤为: 步骤一:预打钻孔；在隧道掌子面上中间位置垂直打入一个深度为S，孔径为d的钻孔，s>0, d>0 ； 步骤二:制定探测方案；根据隧道施工的要求与现场的实际情况，初步制定雷达预测方案，确定雷达发射天线在钻孔内每次发射雷达波信号之间的距离，以及接收天线在隧道掌子面上自动传动的速度； 步骤三:钻孔内雷达发射天线的布设； 步骤四:在每一条测线方向上布设传动轨道； 步骤五:将三维精细化成像系统中用到的各个设备连接起来； 步骤六:利用各个设备之间的配合，依次对各个测试点进行雷达数据采集；步骤七:对采集的数据预处理； 步骤八:对雷达探测剖面雷达波速层析反演成像计算； 步骤九:对三维雷达波速图像处理；通过反演成像计算可得到测线剖面的雷达波速分布图，而测线剖面之间介质的雷达波速通过相邻测线剖面之间的雷达波速的线性插值得至IJ，从而获得隧道掌子面前方雷达波速的三维分布图像，通过对该图像的分析和解释，便可直观、精确地确定隧道前方的地质异常体。
6.如权利要求1所述的一种三维精细化成像方法，其特征是，所述步骤三的具体步骤为: (3-1)首先把每节长度为X的雷达发射天线递送套管一节一节地，通过递送套管两端的卡槽拼接向钻孔深部插入，直到插入钻孔的最深处； (3-2)把雷达发射天线安装到递送车上，递送车的轮子插入递送套管的轮子卡槽中，方便递送车在套管中较平稳地向深部移动； (3-3)根据步骤二确定的发射天线发射信号的间距，在递送车尾部不断拼接长度为y的递送杆，知从钻孔外的递送动力装置到钻孔内的第一个雷达发射点的递送距离为m=n*y，其中η为递送杆的个数，y>0o
7.如权利要求1所述的一种三维精细化成像方法，其特征是，所述步骤四的具体步骤为: (4-1)把雷达接收天线通过传动车上的卡槽和弹簧板固定到传动车上； (4-2)在隧道掌子面上，按照“全方位辐射状接收测线”的布设规则固定传动轨道； (4-3)把传动车安装到传动轨道中，利用传动车及传动轨道沿测线移动。
8.如权利要求1所述的一种三维精细化成像方法，其特征是，所述步骤六的具体步骤为: (6-1)打开雷达主机电源以及计算机； (6-2)打开控制主机，根据步骤二确定的发射天线递送间隔和接收天线传动速度，由控制主机向发射天线递送装置发送指令，使其移动到钻孔某一深度，在该位置固定停止，并发射雷达波，同时由控制主机向接收天线传动装置发送指令，使得接收天线沿着传动轨道以预设的速度移动，在移动过程中接收雷达波，完成一条辐射状测线； (6-3)将雷达接收天线导轨由人工转动到另一条辐射状测线进行测量，将辐射状测线测量完毕后，即完成了一个探测循环； (6-4)重复步骤三到步骤六，循环采集数据，由控制主机控制发射天线沿钻孔内的递送套管以一定的间距移动到下一个位置，执行下一个探测循环，直至探测完毕。
9.如权利要求1所述的一种三维精细化成像方法，其特征是，所述步骤七的具体步骤为: (7-1)对原始雷达数据依次进行数据合并、废道剔除、测线方向一致化、漂移处理； (7-2)对雷达接收天线接收的雷达数据进行滤波处理，去除随机噪声的干扰。
10.如权利要求1所述的一种三维精细化成像方法，其特征是，所述步骤八的具体步骤为: 对预处理后的雷达数据进行反演计算，把每个测线剖面的雷达图像建立网格，对于第η条射线上的第j个网格，每次反演迭代的慢度修正量Cnj可由下式计算得到:
全文摘要
本发明公开了一种基于钻孔地质雷达技术的三维精细化成像系统，它包括雷达发射天线等装置；雷达发射天线通过雷达天线递送装置被递送入钻孔内，雷达接收天线通过雷达天线传动装置在隧道掌子面沿测线移动，雷达发射天线和雷达接收天线与雷达主机连接，雷达主机与蓄电池和计算机分别连接，雷达天线递送装置和雷达天线传动装置与控制主机连接，控制主机通过电源线与蓄电池连接，所述控制主机控制天线递送和传动装置。本发明同时提出了立体三维观测方法，配合一种基于多次覆盖观测的“发射接收循环探测”方式，再利用基于约束反演的速度成像方法和三维插值方法，实现钻孔周围介质的三维探测，实现了隧道掌子面前方地质情况的三维精细化探测。
文档编号G01S13/89GK103076606SQ20131000827
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月10日 优先权日2013年1月10日
发明者李术才, 刘斌, 徐磊, 孔凡年, 聂利超, 宋杰, 刘征宇, 孙怀凤, 王传武, 许新骥, 郝亭宇, 周浩, 张庆松, 李树忱 申请人:山东大学